基于蓄电池分只均充的小型高效风光互补电源的研究设计

第36卷　第4期2008年4

月Vol.36　No.4 Ap r.　2008

基于蓄电池分只均充的小型高效风光

互补电源的研究设计

彭秀英,曹　阳,邱望标

(贵州大学机械工程学院,贵州贵阳　550003)

摘　要:运用风光发电的基本原理和蓄电池分只均充的基本思想,研究设计了一种基于蓄电池分只均充模式的小型高效风光互补电源,介绍了能量产生和存储部件的选型原则。电源系统采用先升压、稳压,后控制充电的控制方案,介绍了控制器的设计及控制方式。

关键词:高效;风光互补电源;分只均充;控制方案;设计

基金项目:2007年贵州省优秀科技教育人才省长资金项目

作者简介:彭秀英(19562),女,教授,从事机电传动与控制方面的教学和科研工作。

中图分类号:T M61 文献标识码:A 文章编号:100129529(2008)0420106203

D esi gn of m i n i a ture and effecti ve w i n d/sol ar hybr id power sources

ba sed on average charg i n g for each ba ttery

PEN G X iu2ying,CAO Yang,Q IU W ang2biao

(School ofM echanical Engineering,Guizhou Univ.,Guiyang550003,China)

Abstract:Base on the working p rinci p le of the wind/s olar hybrid power generati on and the concep t of average char2 ging for each battery,a ne w kind of m iniature and effective wind/s olar hybrid power s ource based on average charging f or each battery was designed,and selecti on of the power generati on and st orage components is p resented.The power s ource syste m adop ts the contr ol scheme of voltage boosting,voltage stablizing,and then charging.The design of the contr oller and its contr ol method are p resented.

Key words:high efficiency;wind/s olar hybrid po wer s ource;average charging f or each battery;contr ol sche me;design

1　小型高效风光互补电源的模块设计

风光互补电源就是将风力发电机和太阳能电池板采集到的能量转化为电能,并加以控制和储存,连续稳定的给负载供电。风光互补电源系统包含能量产生环节、能量存储环节和能量消耗环节,设计关键在于最大限量的利用自然资源发电。本风光互补电源主要是针对偏远山区的小型用户,设计容量较小。

1.1　传统风光互补电源系统的典型结构

传统风光互补电源系统由能量产生环节、能量存储环节、能量消耗环节三部分组成。能量的产生环节又分为风力发电和光伏发电部分,分别将风力、日照资源转化为高品位的电力能源;能量的存储环节由蓄电池来承担,蓄电池在整个系统中起到能量存储、能量调节和平衡负载的作用;能量消耗环节就是各种用电负载,可分为直流负载和交流负载两类。另外,为了增强系统供电的不间断性,可引入后备柴油机。一般情况下,适当增大风力机、光伏阵列或蓄电池的容量可免去后备柴油机。本文论述的风光互补发电系统不包含柴油机。

1.2　

高效风光互补电源的系统模块

图1　高效风光互补电源的系统结构图

高效风光互补电源的系统模块如图1所示。本风光互补电源与传统风光互补电源系统相比,其最大区别在于能量储存控制环节和蓄电池的充电、检测方式。高效风光互补电源在能量控制环节加入了DC/DC转换装置,使能量产生环节在低

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电量时也能给蓄电池充电,蓄电池能最大限量存储能量,最大限量的利用风能、太阳能资源,从而提高了资源的利用率。同时高效风光互补电源的蓄电池组采用智能三段式分只均充管理方式,这种充电管理方式能最大限量的利用蓄电池组的容量,提高蓄电池组的使用寿命。

2　能量产生和储存部件的选型原则

本高效风光互补电源立足偏远山区的小型用户,设计容量较小,要求系统稳定,所选用的部件稳定并且廉价。

(1)风力发电机

在选型时要求风力发电机是低速型风机,具有发电效率高、结构简单、质量稳定、维护量低、在恶劣的天气情况下自动偏航保护等特性。

(2)太阳能电池

太阳电池可选用多晶硅太阳电池组件,要求用高透光率低铁钢化玻璃,外加阳极化优质铝合金边框,具有效率高、寿命长、安装方便、抗风、抗冰雹能力等特性。

(3)蓄电池

蓄电池组可选用高能阀控式密封铅酸蓄电池,高能蓄电池是在阀控电池的基础上发展起的一种改进型电池,它具有放电功率大、充电更迅速、循环寿命长、重量轻、性能可靠、均衡等优点。

3　DC/DC转换器

DC/DC转换器是本高效风光互补电源系统的创新设计之一。为了充分利用资源,保证过低电压时都能对蓄电池进行有效充电,该电源系统采用先升压、稳压,后控制充电的控制方案,利用DC/DC变换器实现升压和稳压。为了增大DC/ DC模块的输出功率,本系统采用隔离式的DC/ DC设计方案。

DC/DC转换器示意简图如图2所示,本系统根据能量产生环节输出电压的不同,分为4个支路(可根据具体要求设计支路的数量),分别用1、2、3、4表示,利用控制器在不同的电压情况下选择不同的DC/DC变换路径。

L4960是单片开关电源稳压芯片,其内部功能电路主要包括:5V基准电压源、误差放大器、锯齿波发生器、P WM比较器、功率输出级、软启动电路、输出限流保护电路以及芯片过热保护电路。需要扩展输出电流时,可以将几片L4960并联使用实现。

MC34063是单片双极型线形集成电路,专用于直流/直流变换器控制部分。片内包含有温度补偿带隙基准源、一个占空比周期控制振荡器、驱动器和大电流输出开关,它能使用最少的外接元件构成开关式升压变换器、降压式变换器和电源反向器

。

图2　DC/DC转换器简图

4　控制器

控制器是保证电源系统正常运行的重要设备。运用蓄电池组智能分只均充的思想,在DC/ DC转换器的基础上,设计一个以P LC为主要控制元件的控制器,控制器具有三大功能:一是通过风、光传感器,能将太阳辐射强度、风能大小显示和存储起来,以便对太阳能和风能情况进行分析,为进一步优化风、光发电设备的配置提供依据;二是根据发电设备的发电情况选择不同的DC/DC 转换路径;三是能对蓄电池的端电压、电流等数据进行采集、显示、处理,并以此与控制器设定值比较,判断蓄电池所处的充电阶段,接通、切断蓄电池、发电设备能耗电路以及直流负载,从而达到充放控制和提高蓄电池使用寿命的目的。风光互补发电控制系统如图3所示

。

图3　风光互补发电控制系统图

4.1　能量产生环节的监视控制

如图3所示,把能量采集环节的各条支路的电量分别通过电压、电流信号采集电路引入P LC